Способ определения доз минеральных удобрений на основании данных мониторинга и функциональной диагностики посевов Российский патент 2022 года по МПК A01C21/00 A01G7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в сельскохозяйственном производстве при расчёте доз минеральных удобрений под посевы сельскохозяйственных культур с высокой точностью. Данный способ основан на использовании данных спутникового мониторинга с дальнейшим подтверждением состояния посевов посредством функциональной диагностики растений, на результатах которой основан расчёт дозировок минеральных удобрений.

Уровень техники

Известен способ дистанционного определения нуждаемости посевов озимой пшеницы в азотной подкормке вне зависимости от погодных условий и времени суток, отличающийся тем, что для этой цели используются радиолокаторы бокового обзора дециметрового диапазона электромагнитных волн, устанавливаемые на искусственных спутниках земли (заявка RU 94013 149, опубл. 10.08.1996).

Недостатком данного способа служат ограничения, связанные с наличием облачности, характером освещенности и другими погодными условиями.

Известен способ обработки зон посева сельскохозяйственных культур на основании данных мониторинга, содержащий этапы, на которых: осуществляют аэросъемку по меньшей мере одной оны посева сельскохозяйственных культур, на основании которой получают набор изображений, характеризующих по меньшей мере один тип растительной культуры; формируют NDVI карту на основании упомянутых данных съемки, отображающую состояние здоровья засеянных культур, причем упомянутое состояние определяется на основании сравнения показателей полученной NDVI карты с эталонными показателями здоровья, соответствующими одному или более типам культур; определяют по меньшей мере одну зону обработки культур, вид обработки и план обработки растений, включающий маршрут перемещения автоматизированного средства обработки растений, для каждой соответствующей зоны на основании упомянутых данных о состоянии здоровья культуры; передают упомянутые данные о зоне обработки культур и соответствующем виде обработки на по меньшей мере одно автоматизированное средство обработки растений; осуществляют определенный вид обработки растений в упомянутой зоне с помощью упомянутого автоматизированного средства. (патент RU 2668319, опубл. 28.09.2018, Бюл. №28)

Недостатком данного способа является вовлечение человеческого фактора, который полностью контролирует выполнение необходимых работ, что приводит к более длительному процессу осуществления действий и снижению урожайности зон посева.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое за прототип, является способ агрохимического обследования земель сельскохозяйственного назначения, включающий выделение контуров по результатам дистанционного зондирования полей и перенесение контуров на карты землепользования, отличающийся тем, что оцифровывают границы исследуемой территории по подобранному космическому снимку с пространственным разрешением 0-30 м, выделяют элементарные участки для исследования спектральной отражательной способности почвенного покрова по результатам дистанционного зондирования в комбинации каналов 3:4:7, осуществляют статистическое моделирование с использованием метода регрессионного анализа по всем подмножествам, переносят контуры рассчитанных значений гумуса с шагом 0,25% и выше на карту землепользования и составляют электронную картограмму (патент RU 2705549, опубл. 07.11.2019, Бюл. №31).

Недостатком данного способа является то, что, во-первых, не учитываются различия в плодородии различных участков в пределах хозяйства или отдельного массива, а во-вторых, практически всегда в севообороте чередуются культуры, отличающиеся по потребности в мелиорантах или удобрениях.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение точности расчёта доз минеральных удобрений посредством использования спутникового мониторинга и функциональной диагностики посевов сельскохозяйственных культур.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к более точному определению потребности в элементах питания посевов сельскохозяйственных культур с целью повышения эффективности внесения доз минеральных удобрений, с учётом содержания макро- и микроэлементов в растениях в различных участках поля, снижение затрат на удобрения и повышение эффективности агрохимического обследования.

Технический результат достигается тем, что способа агрохимического обследования земель сельскохозяйственного назначения для определения внесения доз минеральных удобрений включающий проведение спутникового мониторинга состояния посевов на конкретном поле с последующим построением карт вегетации на основании индекса NDVI и определением проблемных участков, на которых проводится отбор растительных образцов для экспресс-анализа, при этом экспресс-анализ включает подготовку раствора для выделения хлоропластов, при чем для этого берут 10 г хлористого натрия и растворяют в 500 см³ дистилированной воды (раствор 1), а также готовят раствор для проведения реакции по определению фотохимической активности хлоропластов, который включает растворение 1 г хлористого натрия в 500 см³ (раствор 2) дистилированной воды, после чего данный раствор помещают в 20 пробирок по 10 мл в каждую и с помощью пипеточного дозатора по 0,1 см³ добавляют стандартные растворы макро- и микроэлементов, далее для приготовления суспензии хлоропластов используют 3-4-й лист сверху взрослых растений или целиком молодое растение при этом в среднюю пробу отбирают растения наиболее характерные для исследуемой площади, при чем срок доставки листьев для анализа должен быть не позднее 30-40 минут, после чего среднюю пробу растирают с раствором 1 в соотношении 1:10 и добавляют на кончике шпателя СаСО3, после чего суспензию хлоропластов фильтруют через 4 слоя марли в пробирку, из получившейся суспензии отбирают по 0,5 мл и приливают по очереди в приготовленные растворы 20 пробирок с макро- и микроэлементами, далее в каждую пробирку добавляют по 0,05 мл раствора красителя и приступают к измерению оптической плотности на фотоколориметре при длине волны 620 нм, затем 20-30 секунд освещают кювету источником света и вторично замеряют оптическую плотность, по разности в оптической плотности между двумя измерениями судят об активности хлоропластов, после чего полученные значения изменений оптической плотности заносят в таблицу, в которой приводят пересчет в процентном соотношении недостатка или избытка испытуемых элементов питания, после чего проводят расчёт удобрений для внекорневой подкормки по формуле:

X=П_%×М_у/100,

где П_% - процент потребности по графику,

М_у - масса удобрения в граммах или килограммах при 100 % недостаточности.

NDVI (Normalized difference vegetation index, Нормализованный вегетационный индекс) - это числовой показатель качества и количества растительности на участке поля. Он рассчитывается по спутниковым снимкам и зависит от того, как растения отражают и поглощают световые волны разной длины. Надо понимать, что NDVI - это индикатор состояния растения, который ничего не говорит о причинах той или иной ситуации, поэтому для более точного решения об избытке и недостатке необходимых элементов питания в растении необходимо проведение экспресс-анализа растений в проблемных точках поля.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 - снимок поля с показателями уровня вегетации растений и точками отбора в участках с низкой вегетацией.

На фиг. 2 - пример полученных результатов экспресс-диагностики растений.

На фиг. 3 - дозы минеральных удобрений для внекорневой подкормки при 100% недостаточности на 1 га.

Осуществление изобретения

Производственные испытания способа проводились на стационаре кафедры агрохимии Ставропольского Государственного аграрного университета. На основании спутникового мониторинга поля озимой пшеницы (Фиг. 1) были отмечены точки отбора растительных образцов.

Предложенный способ осуществляют следующим способом:

Реализация предложенного способа осуществляется в несколько этапов. Первый этап заключается в проведении спутникового мониторинга состояния посевов на конкретном поле. Космоснимок поля с посевами озимой пшеницы в режиме реального времени получен на сайте https://onesoil.ai/ru/. После получения данных по развитию растений на основании индекса NDVI строят карты вегетации.

На втором этапе анализируют данные карт и определяют проблемные участки, на которых проводится отбор растительных образцов для последующего экспресс-анализа при использовании выездной лаборатории функциональной диагностики растений.

Третий этап - проведение функциональной диагностики отобранных растений. Данный метод основан на определении фотохимической активности суспензии хлоропластов, полученной из средней пробы листьев диагностируемых растений. В качестве прибора для анализа используют фотометр фотоэлектрический Экотест 2020. Процесс эксперсс-анализа начинают с подготовки раствора для выделения хлоропластов. Для этого 10 г хлористого натрия растворяют в 500 см³ дистилированной воды (раствор 1). Для приготовления раствора для проведения реакции 1 г хлористого натрия растворяют в 500 см³ дистилированной воды (раствор 2), полученный раствор помещают в 20 пробирок, по 10 мл в каждую. Далее с помощью пипеточного дозатора по 0,1 см³ стандартных растворов макро- и микроэлементов: азота, фосфора, калия, кальция, магния, бора, меди, цинка, марганца, железа, молибдена, кобальта, йода. 6 оставшихся пробирок - контрольные.

Для приготовления суспензии хлоропластов используют 3-4-й лист сверху взрослых растений или целиком молодое растение. В среднюю пробу отбирают растения наиболее характерные для исследуемой площади, срок доставки листьев для анализа должен быть не позднее 30-40 минут, для того чтобы не допустить завядания растений и как следствие снижения активности хлоропластов. Среднюю пробу листьев растирают с раствором 1 в соотношении 1:10, добавив в ступку на кончике шпателя СаСО3 для стабилизации хлоропластов. Затем суспензию хлоропластов фильтруют через 4 слоя марли в пробирку, которая помещена в мерный затемненный цилиндр.

Анализ начинают с того, что 0,5 мл суспензии хлоропластов приливают по очереди в каждый испытуемый элемент питания в пробирках. Далее в каждую пробирку добавляют по 0,05 мл раствора красителя и приступают к измерению оптической плотности на фотоколориметре при длине волны 620 нм, затем 20-30 секунд освещают кювету источником света и вторично замеряют оптическую плотность. По разности в оптической плотности между двумя измерениями судят об активности хлоропластов. В случае повышения фотохимической активности суспензии хлоропластов по сравнению с контролем (без добавления элементов) делают вывод о недостатке испытуемого элемента, при снижении фотохимической активности хлоропластов - об избытке, при одинаковой активности - об оптимальной концентрации в питательной среде.

На четвертом этапе, полученные значения изменений оптической плотности заносят в таблицу, в которой приводят пересчет в процентном соотношении недостатка или избытка испытуемых элементов питания (Фиг. 2).

Пятый этап - расчёт удобрений для внекорневой подкормки по формуле X=П_%×М_у/100,

где П_% - процент потребности по графику;

М_у - масса удобрения в граммах или килограммах при 100 % недостаточности.

Пример конкретного выполнения предложенного способа.

Предлагаемый способ апробирован в условиях Учебно-опытного хозяйства Ставропольского ГАУ на поле № 3 стационара кафедры агрохимии и физиологии растений. Участок находится в пределах Ставропольской возвышенности, рельеф представляет собой слабоволнистую равнину.

Исследуемый участок представлен почвами - чернозёмами выщелоченными с нейтральной реакцией почвенного раствора - 6,0-6,3 ед. Во время весенней вегетации сделали снимок с применением фильтра NDVI и обозначили участки с низкой вегетацией растений (фиг. 1). На участках произвели отбор растений для последующего анализа.

Далее проведён экспресс-анализ проб на содержание макро- и микроэлементов с результатами отклонения от оптимума по каждому элементу (фиг. 2).

На основании полученных результатов произведён расчёт удобрений для внекорневых подкормок. Расчёт произвели следующим образом: по графику находим % потребности, например, в меди - 171,4%, и массу удобрения в килограммах или граммах при 100% недостаточности (фиг. 3), тогда:

х=171,4⋅200/100=34,3 г/га CuSO₄.

Полученное количество сульфата меди разбавлено в 200 литрах воды и проведена обработка.

Из примера выполнения можно сделать вывод, что предлагаемый способ определения доз минеральных удобрений для внекорневой подкормки является более быстрым и точным.

В рамках, проведенного опыта было достоверно известно, что данный способ расчёта даёт существенные прибавки урожая: при расчёте микроэлементов - на 0,2-0,6 т/га, макроэлементов - 2,0-2,6 т/га.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает проведение спутникового мониторинга состояния посевов на конкретном поле с последующим построением карт вегетации на основании индекса NDVI и определением проблемных участков, на которых проводится отбор растительных образцов для экспресс-анализа. Экспресс-анализ включает подготовку раствора для выделения хлоропластов, причем для этого берут 10 г хлористого натрия и растворяют в 500 см³ дистиллированной воды – раствор 1. Также готовят раствор для проведения реакции по определению фотохимической активности хлоропластов, который включает растворение 1 г хлористого натрия в 500 см³ дистиллированной воды – раствор 2, после чего данный раствор помещают в 20 пробирок по 10 мл в каждую и с помощью пипеточного дозатора по 0,1 см³ добавляют стандартные растворы макро- и микроэлементов. Для приготовления суспензии хлоропластов используют 3-4-й лист сверху взрослых растений или целиком молодое растение, при этом в среднюю пробу отбирают растения, наиболее характерные для исследуемой площади. Срок доставки листьев для анализа должен быть не позднее 30-40 минут, после чего среднюю пробу растирают с раствором 1 в соотношении 1:10 и добавляют на кончике шпателя СаСО₃, после чего суспензию хлоропластов фильтруют через 4 слоя марли в пробирку. Из получившейся суспензии отбирают по 0,5 мл и приливают по очереди в приготовленные растворы 20 пробирок с макро- и микроэлементами. В каждую пробирку добавляют по 0,05 мл раствора красителя и приступают к измерению оптической плотности на фотоколориметре при длине волны 620 нм, затем 20-30 секунд освещают кювету источником света и вторично замеряют оптическую плотность. По разности в оптической плотности между двумя измерениями судят об активности хлоропластов, после чего полученные значения изменений оптической плотности заносят в таблицу, в которой приводят пересчет в процентном соотношении недостатка или избытка испытуемых элементов питания, после чего проводят расчёт удобрений для внекорневой подкормки по формуле: X=, где П_% - отклонение от оптимума по каждому элементу, М_у - масса удобрения в граммах или килограммах при 100 % недостаточности. Способ обеспечивает более точное определение потребности в элементах питания посевов сельскохозяйственных культур для повышения эффективности внесения доз минеральных удобрений с учётом содержания макро- и микроэлементов в растениях в различных участках поля и повышение эффективности агрохимического обследования. 3 ил., 1 пр.

Способ агрохимического обследования земель сельскохозяйственного назначения для определения внесения доз минеральных удобрений, включающий проведение спутникового мониторинга состояния посевов на конкретном поле с последующим построением карт вегетации на основании индекса NDVI и определением проблемных участков, на которых проводится отбор растительных образцов для экспресс-анализа, при этом экспресс-анализ включает подготовку раствора для выделения хлоропластов, причем для этого берут 10 г хлористого натрия и растворяют в 500 см³ дистиллированной воды – раствор 1, а также готовят раствор для проведения реакции по определению фотохимической активности хлоропластов, который включает растворение 1 г хлористого натрия в 500 см³ дистиллированной воды – раствор 2, после чего данный раствор помещают в 20 пробирок по 10 мл в каждую и с помощью пипеточного дозатора по 0,1 см³ добавляют стандартные растворы макро- и микроэлементов, далее для приготовления суспензии хлоропластов используют 3-4-й лист сверху взрослых растений или целиком молодое растение, при этом в среднюю пробу отбирают растения, наиболее характерные для исследуемой площади, причем срок доставки листьев для анализа должен быть не позднее 30-40 минут, после чего среднюю пробу растирают с раствором 1 в соотношении 1:10 и добавляют на кончике шпателя СаСО₃, после чего суспензию хлоропластов фильтруют через 4 слоя марли в пробирку, из получившейся суспензии отбирают по 0,5 мл и приливают по очереди в приготовленные растворы 20 пробирок с макро- и микроэлементами, далее в каждую пробирку добавляют по 0,05 мл раствора красителя и приступают к измерению оптической плотности на фотоколориметре при длине волны 620 нм, затем 20-30 секунд освещают кювету источником света и вторично замеряют оптическую плотность, по разности в оптической плотности между двумя измерениями судят об активности хлоропластов, после чего полученные значения изменений оптической плотности заносят в таблицу, в которой приводят пересчет в процентном соотношении недостатка или избытка испытуемых элементов питания, после чего проводят расчёт удобрений для внекорневой подкормки по формуле:

X=,

где П_% - отклонение от оптимума по каждому элементу, М_у - масса удобрения в граммах или килограммах при 100 % недостаточности.